CN105403889B - 一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置 - Google Patents

一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置 Download PDF

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Abstract

一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，包括太赫兹发射模块、发射天线、电控次反射面、接收天线、太赫兹接收模块和系统控制主机，太赫兹发射模块产生的太赫兹信号经发射天线辐射至电控次反射面，电控次反射面在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对发射天线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，并将太赫兹波束反射至目标空间对目标进行波束扫描，接收天线采集一部分目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收模块，在太赫兹接收模块经低噪声放大、混频和正交解调处理后返回至系统控制主机进行成像处理，最终得到目标的图像。其兼顾成像分辨率与成像速度，并能避免成像装置对目标的机械扫描。

Description

一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置
技术领域
本发明涉及高分辨雷达凝视成像技术，尤指一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置。
背景技术
随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。其中，在安检与反恐、目标探测与识别、化学品鉴定、医学成像和质量控制等近距成像领域，用户对雷达成像系统的分辨率、实时性和小型化均提出了严苛的要求。现有雷达成像系统主要包括微波雷达成像系统和光学雷达成像系统两大类。其中，光学传感器可前视成像，波长短，分辨率高，成像速度快，但是依赖于目标辐射，对烟、尘、雾和障碍物等穿透能力差，易受环境因素影响。而微波雷达传感器可主动探测，穿透能力强，但是由于微波频率低，波长长，角分辨率低，且由于成像原理的限制，需要成像积累时间，无法实现前视高帧频、高分辨成像。因此，现有雷达成像系统难以完全满足前述近距成像领域对高帧频、高分辨凝视成像的应用需求。
相对于传统雷达采用的微波频段，太赫兹波具有更高频率和更短波长，使得太赫兹雷达能够提供更大的绝对带宽，更高的成像分辨率以及比光波更好的穿透能力，同时，系统收发链路相对简单，易实现小型化。而孔径编码技术可通过产生多样性的照射模式使得成像系统生成更加丰富的目标回波信息，从而有望在相同成像孔径条件下获得超出传统成像系统衍射极限的分辨率。尽管太赫兹雷达成像技术或孔径编码成像技术相对于前述成像技术均具有诸多优势，但依然存在一些亟待解决的问题，比如成像分辨率与成像帧率有待进一步提升，太赫兹波束对目标的非机械扫描实现难度较大等。鉴于此，迫切需要开展太赫兹频段孔径编码成像技术研究，将太赫兹成像技术与孔径编码技术有机结合，研制具有高帧频、高分辨凝视成像能力且系统简约小型的新型成像装置。
发明内容
本发明提出了一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，能同时兼顾成像分辨率与成像速度，并能避免成像装置对目标的机械扫描。考虑到该装置在水平和竖直方向上的工作模式具有对称性，以竖直方向为例对本发明进行说明。
本发明的技术方案是：
一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，包括太赫兹发射模块、发射天线、电控次反射面、接收天线、太赫兹接收模块以及系统控制主机，太赫兹发射模块与发射天线连接，太赫兹发射模块负责产生太赫兹信号，太赫兹信号经发射天线辐射至电控次反射面，所述电控次反射面与系统控制主机连接，电控次反射面在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对发射天线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，并进一步将太赫兹波束反射至目标空间对目标进行波束扫描，接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收模块，在太赫兹接收模块经低噪声放大、混频和正交解调处理后返回至系统控制主机进行成像处理，最终得到目标的图像。接收天线对目标表面的散射回波信号进行采集时，只能接收到一部分的反射回波信号，另一部分信号损失掉了。其中，系统控制主机进行成像处理是指结合现有的目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术进行成像处理。
本发明中，所述电控次反射面竖直方向上的高度为l，竖直方向上包含N个阵元，电控次反射面与发射天线的水平间距为a，发射天线与目标的水平间距为b，电控次反射面下端点与发射天线的竖直间距为g，l与N的比值代表单个阵元的节距，节距越小，则可在更小的单元尺度上对发射天线辐射的太赫兹波进行孔径编码与相位调制，以获得更好的编码效果与波束形成能力，其具体取值由电控次反射面的加工工艺决定，以基于液晶基板的反射式相控阵平面天线为例，阵元节距通常为数百微米。a与b的取值之和在20.00m以内。a与b的和代表本发明所述装置的探测距离，通常为20.00m以内的近距成像范围。在确保装置中发射天线不会对太赫兹波束产生遮挡的前提下，可通过减小g的取值来减小系统的几何尺寸，以太赫兹喇叭天线为例，发射天线口径尺寸通常为毫米量级，故g的取值可设定在0.01m至0.10m的区间内。
本发明中，系统控制主机根据下式中的孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载；
PC＝random(pl,ph,m)， (1)
其中，pl和ph分别代表随机移相区间的上限和下限，random表示对电控次反射面竖直方向上的第m个阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位，m＝1,2…N。
本发明中，系统控制主机根据下式中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载；
其中，f为透镜的焦距，k＝2πfc/c，fc为太赫兹波的中心频率，c为光速，ym为电控次反射面竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m＝1,2…N，y0为电控次反射面上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。
加载了透镜相位调制因子的电控次反射面具有数字透镜的作用，入射太赫兹波束被反射并聚焦于聚焦面上，其中，聚焦面是指目标空间中与发射天线关于数字透镜共轭的平面，聚焦面与目标的水平间距d由下式确定：
反射太赫兹波束的指向由入射波束中入射至电控次反射面上透镜相位调制因子的相位中心位置y0处的光线的入射角结合镜面反射定理确定。透镜相位调制因子的相位中心位置(相位中心位置即为公式(2)中y0的取值)从电控次反射面的下端点移至上端点的过程中，反射太赫兹波束可对目标实现依次逐块扫描。目标下端点与电控次反射面下端点的距离e，反射太赫兹波束在目标表面形成的光斑尺寸为s，成像装置最大可探测目标高度为h，e、s和h应满足式(4)、(5)和(6)：
一方面，孔径编码随机移相因子可在电控次反射面的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相，进而改变目标区域太赫兹波的空间幅相分布，使其辐射模式由球面波前变为随机波前，再结合目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术，最终使成像装置分辨率可以超过同口径传统雷达衍射极限以获得波束内高分辨能力，且模式切换速度快，无需成像积累时间；另一方面，透镜相位调制因子可使电控次反射面起到数字透镜的作用，对发射天线辐射的太赫兹波束进行反射并聚焦至聚焦面，其中，聚焦面是指目标空间中与发射天线关于数字透镜共轭的平面。通过改变透镜相位调制因子的相位中心位置，即可控制太赫兹波束的指向，使得波束聚焦点在聚焦面上平移，以相同的光斑尺寸对特定目标进行探测，实现波束扫描，避免成像装置对目标的机械扫描，提高装置的成像帧率与稳定性。
本发明的有益技术效果：
1.本发明利用孔径编码随机移相因子在电控次反射面的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相，进而改变目标区域太赫兹波的空间幅相分布，最终使成像装置获得超过同口径传统雷达衍射极限的波束内高分辨能力，且模式切换速度快，无需成像积累时间。
2.本发明利用透镜的相位调制因子使电控次反射面起到数字透镜的作用，对入射太赫兹波束进行聚焦与指向控制，对目标以相同的光斑尺寸进行探测，实现波束扫描，避免成像装置对目标的机械扫描，提高装置的成像帧率与稳定性。
3.利用上述结构，可实现所述太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置对探测目标进行全覆盖、高帧频、高分辨凝视扫描成像。
附图说明
图1为本发明的一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置的结构示意图。
图2为本发明的一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置的工作流程示意图。
上述附图中的图示标号为：
1、太赫兹发射模块，2、发射天线，3、电控次反射面，4、接收天线，5、太赫兹接收模块，6、系统控制主机。
具体实施方式
本发明提出了一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，如附图1所示，所述装置包括太赫兹发射模块1、发射天线2、电控次反射面3、接收天线4、太赫兹接收模块5以及系统控制主机6，其中，系统控制主机主要包含两个功能，分别为：用于对电控次反射面进行控制和对散射回波信号进行成像处理。
装置的工作流程如附图2所示，太赫兹发射模块与发射天线连接，太赫兹发射模块负责产生太赫兹信号，太赫兹信号经发射天线辐射至电控次反射面，所述电控次反射面与系统控制主机连接，电控次反射面在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，对发射天线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，并进一步将太赫兹波束反射至目标空间对目标进行波束扫描，接收天线对目标表面的部分散射回波信号进行采集并传输至太赫兹接收模块，在太赫兹接收模块经低噪声放大、混频和正交解调处理后返回至系统控制主机，再结合目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术进行成像处理，最终得到目标的图像。一方面，孔径编码随机移相因子可在电控次反射面的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相，进而改变目标区域太赫兹波的空间幅相分布，使其辐射模式由球面波前变为随机波前，再结合现有的目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术，最终使成像装置分辨率可以超过同口径传统雷达衍射极限以获得波束内高分辨能力，且模式切换速度快，无需成像积累时间；另一方面，对发射天线辐射的太赫兹波束进行反射并聚焦至聚焦面，其中，聚焦面是指目标空间中与发射天线关于数字透镜共轭的平面。通过改变透镜相位调制因子的相位中心位置，即可控制太赫兹波束的指向，使得波束聚焦点在聚焦面上平移，以相同的光斑尺寸对特定目标进行探测，实现波束扫描，避免成像装置对目标的机械扫描，提高装置的成像帧率与稳定性。
本发明中，所述装置的电控次反射面可采用基于液晶基板的反射式相控阵平面天线，也可采用基于超材料技术的反射式相控阵平面天线。
下面以基于液晶基板的反射式相控阵平面天线为例，确定电控次反射面竖直方向上的高度l＝0.50m，竖直方向上包含1000个阵元，电控次反射面与发射天线的水平间距a＝3.00m，发射天线与目标的水平间距为b＝9.00m，电控次反射面下端点与发射天线的竖直间距g＝0.01m。
系统控制主机根据孔径编码随机移相因子PC＝random(-0.5π,0.5π,m)生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载，其中m＝1,2…1000。
同时，系统控制主机根据透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载。其中，透镜的焦距f＝2.50m，k＝2πfc/c，太赫兹波的中心频率fc＝300.00GHz，光速c＝3×108m/s。ym为电控次反射面竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m＝1,2…1000。y0为电控次反射面竖直方向上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。加载了透镜相位调制因子的电控次反射面具有数字透镜的作用，入射太赫兹波束被反射并聚焦于聚焦面上，由式(3)计算得到聚焦面与目标的水平间距d＝3.00m。
透镜相位调制因子的相位中心位置从电控次反射面的下端点移至上端点的过程中，反射太赫兹波束可对目标实现依次逐块扫描。由式(4)、(5)和(6)计算得到目标下端点与电控次反射面下端点的距离e＝0.04m，反射太赫兹波束在目标表面形成的光斑尺寸s＝0.10m，以及装置最大可探测目标高度h＝2.50m。
对于一个高2.00m，肩宽0.50m的人体目标而言，扫描面积Δ＝1.00m2，共需Δ/s^2＝100次扫描方可实现“光斑”对目标的完整覆盖，基于液晶基板的电控次反射面的单次切换耗时约t＝1.00ms。因此，本实施例中成像装置对该人体目标进行一次完整扫描至少需耗时T＝Δ/s^2×t＝100.00ms，故系统帧率最高可达到10.00Hz。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (6)

1.一种太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，包括太赫兹发射模块、发射天线、电控次反射面、接收天线、太赫兹接收模块以及系统控制主机，太赫兹发射模块与发射天线连接，太赫兹发射模块负责产生太赫兹信号，太赫兹信号经发射天线辐射至电控次反射面，所述电控次反射面与系统控制主机连接，电控次反射面在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，对发射天线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，并进一步将太赫兹波束反射至目标空间对目标进行波束扫描，接收天线对目标表面的散射回波信号进行采集并传输至太赫兹接收模块，在太赫兹接收模块经低噪声放大、混频和正交解调处理后返回至系统控制主机，结合目标稀疏特性以及压缩感知数据处理技术进行成像处理，最终得到目标的图像。
2.根据权利要求1所述的太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，电控次反射面竖直方向上的高度为l，竖直方向上包含N个阵元，电控次反射面与发射天线的水平间距为a，发射天线与目标的水平间距为b，电控次反射面下端点与发射天线的竖直间距为g，l与N的比值代表单个阵元的节距，a与b的取值的和在20.00m以内。
3.根据权利要求2所述的太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，系统控制主机根据下式中的孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载；
PC＝random(pl,ph,m)， (1)
其中，pl和ph分别代表随机移相区间的上限和下限，random表示对电控次反射面竖直方向上的第m个阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位，m＝1,2…N。
4.根据权利要求2所述的太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，系统控制主机根据下式中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面上完成相位加载；
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其中，f为透镜的焦距，k＝2πfc/c，fc为太赫兹波的中心频率，c为光速，ym为电控次反射面竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m＝1,2…N，y0为电控次反射面上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。
5.根据权利要求4所述的太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，加载了透镜相位调制因子的电控次反射面具有数字透镜的作用，入射太赫兹波束被反射并聚焦于聚焦面上，其中，聚焦面是指目标空间中与发射天线关于数字透镜共轭的平面，聚焦面与目标的水平间距d由下式确定：
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6.根据权利要求4所述的太赫兹频段孔径编码高分辨近距凝视成像装置，其特征在于，透镜相位调制因子的相位中心位置y0从电控次反射面的下端点移至上端点的过程中，反射太赫兹波束可对目标实现依次逐块扫描；目标下端点与电控次反射面下端点的距离e，反射太赫兹波束在目标表面形成的光斑尺寸为s，成像装置最大可探测目标高度为h，e、s和h应满足式(4)、(5)和(6)：
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